Bagnabilità e angolo di contatto: idrofilo o idrofobo

Versa una goccia d’acqua su un vetro pulito e si distende; versala su una superficie cerata e si raccoglie a perla. La stessa acqua, comportamenti opposti: è la bagnabilità, e si misura con una grandezza semplice e potentissima, l’angolo di contatto. Da esso dipendono l’efficacia di un detergente, l’adesione di una vernice, l’impermeabilità di un tessuto e mille altre proprietà industriali.

Vediamo che cos’è l’angolo di contatto, come distingue superfici idrofile e idrofobe e come si controlla.

Quando un liquido bagna un solido

La bagnabilità descrive quanto un liquido tende a distendersi sulla superficie di un solido. È il risultato di una competizione tra le forze di adesione (tra liquido e solido, che tendono a far distendere la goccia) e quelle di coesione (all’interno del liquido, che tendono a raccoglierlo). Se vince l’adesione, il liquido bagna; se vince la coesione, il liquido si raccoglie a goccia.

L’angolo di contatto

La misura quantitativa della bagnabilità è l’angolo di contatto (θ): l’angolo che la goccia forma con la superficie nel punto di contatto. Un angolo piccolo indica che il liquido si distende e bagna bene; un angolo grande indica che si raccoglie a perla e bagna poco.

Per convenzione, con l’acqua: se θ è inferiore a 90° la superficie è idrofila (ama l’acqua, viene bagnata); se è superiore a 90° è idrofoba (respinge l’acqua). Quando θ tende a zero il liquido si distende completamente (bagnabilità totale); quando supera i 150° si parla di superfici superidrofobe, come le foglie di loto su cui l’acqua rotola via portando con sé lo sporco.

L’equazione di Young

L’angolo di contatto all’equilibrio è determinato dal bilancio tra le tre tensioni interfacciali in gioco — solido-vapore, solido-liquido e liquido-vapore — secondo l’equazione di Young:

γ_SV = γ_SL + γ_LV cosθ

Come si controlla la bagnabilità

Poiché la bagnabilità dipende dalle tensioni interfacciali, si può modificare agendo su di esse. Per aumentare la bagnabilità (far distendere meglio un liquido) si abbassa la tensione superficiale del liquido con i tensioattivi, oppure si tratta la superficie del solido per renderla più “energetica” (trattamenti al plasma, corona, fiamma, molto usati prima di stampare, verniciare o incollare le plastiche). Per diminuirla (rendere una superficie idrorepellente) si applicano rivestimenti a bassa energia superficiale (siliconici, fluorurati, cere).

Un aspetto pratico da conoscere è l’isteresi dell’angolo di contatto: su una superficie reale l’angolo misurato quando la goccia avanza (angolo di avanzamento) è maggiore di quello misurato quando si ritira (angolo di recessione). La differenza tra i due dipende dalla rugosità e dalla disomogeneità chimica della superficie, ed è ciò che fa “aderire” le gocce a un vetro inclinato invece di farle scivolare via. Per questo, nella pratica, non basta un singolo valore di angolo di contatto: l’isteresi racconta quanto è uniforme e pulita una superficie, e quanto facilmente le gocce vi rotolano sopra — informazione preziosa per rivestimenti autopulenti e antighiaccio.

Perché conta nella pratica

L’angolo di contatto è un parametro pratico e misurabile (con un semplice goniometro ottico) che predice il comportamento di moltissimi processi. Nella verniciatura e stampa, una buona bagnabilità è indispensabile perché l’inchiostro o la vernice aderiscano: superfici poco bagnabili danno cretti e distacchi, per questo le plastiche si trattano prima. Negli adesivi vale lo stesso principio. Nei detergenti, abbassare l’angolo di contatto significa far penetrare l’acqua nello sporco e nei tessuti. Nei trattamenti idrorepellenti (tessuti, edilizia, vetri auto) si fa l’opposto. Saper misurare e interpretare l’angolo di contatto è una competenza concreta per chi lavora con superfici, rivestimenti e formulazioni.

Quando alla scarsa bagnabilità si aggiunge una rugosità microscopica si ottengono le superfici superidrofobiche, su cui l’acqua rotola via come sulla foglia di loto.

Domande frequenti

Che cos’è l’angolo di contatto?

È l’angolo che una goccia di liquido forma con la superficie solida nel punto di contatto. Misura la bagnabilità: un angolo piccolo indica che il liquido si distende e bagna bene, un angolo grande indica che si raccoglie a perla e bagna poco. Si misura con un goniometro ottico.

Qual è la differenza tra superficie idrofila e idrofoba?

Una superficie idrofila «ama» l’acqua e viene bagnata (angolo di contatto inferiore a 90°); una idrofoba la respinge e la fa raccogliere a goccia (angolo superiore a 90°). Oltre i 150° si parla di superfici superidrofobe, come la foglia di loto, su cui l’acqua rotola via.

Da cosa dipende la bagnabilità?

Dall’equilibrio tra le tre tensioni interfacciali in gioco (solido-vapore, solido-liquido, liquido-vapore), come descrive l’equazione di Young. Non è una proprietà del solo liquido o del solo solido, ma della loro combinazione: per questo lo stesso liquido bagna un materiale e non un altro.

Come si migliora l’adesione di una vernice su una plastica?

Aumentando la bagnabilità della superficie, perché una vernice aderisce bene solo se bagna il supporto. Le plastiche, poco bagnabili, si trattano prima della verniciatura con plasma, corona o fiamma, che ne aumentano l’energia superficiale. In alternativa si abbassa la tensione superficiale della vernice.

Come funziona l’effetto loto?

È la superidrofobicità: la combinazione di una superficie a bassa energia e di una micro-rugosità fa sì che l’acqua formi gocce quasi sferiche (angolo oltre 150°) che rotolano via portando con sé lo sporco. È sfruttato in rivestimenti autopulenti per vetri, tessuti e facciate.